JP2012169049A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザダイオードからなる励起光源と、その励起光を集光する光学系と、集光された励起光によって励起されて蛍光を励起光源とは反対側に放射する蛍光体と、該蛍光体が形成されたガラス基板とからなる光源装置において、カラーホイールを使用することなく、蛍光体の使用量を少なく抑えることができるとともに、蛍光体を効率よく冷却できて、回転機構などの複雑な装置を設けずに装置の小型化が図れる構造を提供することである。
【解決手段】前記ガラス基板に冷却機構が設けられ、該冷却機構には、前記蛍光体に対応する窓部が形成されていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プロジェクター等に利用される光源装置に関し、特に、青色レーザ光を励起光にして緑色の光に変換する蛍光体を用いた光源装置に係わるものである。

液晶プロジェクター等の画像投影機に用いられる光源として、発光ダイオード（ＬＥＤ）を利用するものが知られている。しかし、光源にＬＥＤを利用する場合は、画像を投射した場合の明るさが不足しているのが現状であり、全体としての光量アップが切望されていた。特に、緑色の光源の光量が不足していた。
このような事情を踏まえて、緑色の光の光量を改善するために、蛍光体を用いる技術が提案されている。例えば、特開２０１０−０８６８１５号公報（特許文献１）には、ガラス等から成る基板に蛍光体を塗布し、該蛍光体を励起する励起光源に青色光、または、紫外光を放射する発光ダイオードや半導体レーザを利用することが記載されている。
より具体的には、円盤状のガラス基板に緑色光の蛍光を発する蛍光体を塗布し、この円盤状ガラス基板（いわゆるカラーフィルター）を円周方向に回転できるような回転機構を持ち、励起光源として、青色光を放射する発光ダイオードを配置した光源装置が開示されている。
また、同公報には、励起光の入射方向と反対方向に蛍光を取出す透過型のみならず、同公報の図１０に示されるように、蛍光体からの蛍光を反射させて励起光入射方向側に取り出す、いわゆる反射型の構造も開示されている。

ところで、上記従来技術のようにカラーホイールを利用するものにあっては、カラーホイールに蛍光体を塗布し、青色光、または、紫外光を励起光として該蛍光体から、例えば、緑色を放射する場合、該カラーホイールの円周方向全体に渡って該蛍光体を配置する必要があり、発光に直接寄与する領域、即ち、励起光が照射される領域に比べて、塗布する蛍光体の領域が格段に広くなる。この蛍光体は非常に高価であって、その使用量を極力少なくしたいという要請に応えることができていない。
また、蛍光体は加熱されて温度が上昇すると発光効率が低下してしまうという問題点があり、これを解消するために、カラーホイールを回転させる必要があって、そのため、モーター等を含めた回転機構が必要となり装置構造が複雑かつ大型化するという問題があった。

さらに、反射型構造においては、反射機能を持つ基板に蛍光体を塗布し、該基板に励起光を入射して蛍光体からの放射を利用する場合、該蛍光体から放射される蛍光と励起光を分離するダイクロイックミラーを配置する必要があるため構造が複雑になり、小型化できない、といった問題がある。
また、励起光入射方向と蛍光取り出し方向を同一軸上に配置することができない、等レイアウト上の自由度が低くなる、といった問題もある。

特開２０１０−８６８１５号公報

この発明が解決しようとする課題は、半導体レーザダイオードからなる励起光源と、その励起光を集光する光学系と、集光された励起光によって励起されて蛍光を放射する蛍光体と、該蛍光体が形成されたガラス基板とからなる光源装置において、カラーホイールを使用することなく、蛍光体の使用量を少なく抑えることができるとともに、蛍光体を効率よく冷却できて、回転機構などの複雑な装置を設けずに装置の小型化が図れる構造を提供するものである。
また、透過型とすることにより、装置構造の複雑化を避け、レイアウトの自由度を確保できる構造を提供するものである。

上記課題を解決するために、この発明に係る光源装置は、前記ガラス基板に冷却機構が設けられ、該冷却機構には、前記蛍光体に対応する窓部が形成されていることを特徴とする。
また、前記蛍光体と励起光源との間には、励起光を透過し、蛍光を反射する蛍光反射膜が設けられていることを特徴とする。
また、前記冷却機構は、前記ガラス基板に当接されたヒートシンクであることを特徴とする。
また、前記ヒートシンクには、前記ガラス基板とは反対側に伸びる冷却フィンが設けられていることを特徴とする。
また、前記蛍光体は、ガラス基板の励起光入射側に設けられるとともに、前記ヒートシンクはガラス基板の励起光入射側に当接され、前記励起光は該ヒートシンクの窓部を通して蛍光体に入射するものであることを特徴とする。
また、前記蛍光体の励起光入射側に、励起光を透過し、蛍光を反射する蛍光反射膜が設けられていることを特徴とする。
また、前記蛍光体は、前記ヒートシンクの窓部内に形成されていることを特徴とする。
また、前記蛍光体の出射側には、発散する蛍光を集光するレンズが設けられていることを特徴とする。
また、前記ガラス基板が、集光レンズ機能を有するものであることを特徴とする。
また、前記蛍光体に対して複数の励起光源から励起光が入射されていることを特徴とする。
また、前記ガラス基板上には複数箇所に蛍光体が形成されるとともに、前記ヒートシンクには各蛍光体に対応する位置に複数の窓部が形成されており、前記蛍光体にはそれぞれ励起光源が対応配置されていることを特徴とする。

この発明の光源装置によれば、蛍光体を塗布した基板に冷却機構を具備していることにより、回転機構等の複雑な装置を設ける必要が無く、また、蛍光体を塗布した領域が即ち、蛍光発光領域となるので、該蛍光体の使用量を少なく出来ると共に、装置全体を小型化できる、といった効果がある。
更には、蛍光体と励起光源との間に、励起光を透過し、蛍光を反射する蛍光反射膜が設けられているので、励起光入射側に向かう蛍光を反射して前方に取出すので、効率良く蛍光を取り出せる、といった効果がある。
その上、蛍光体周辺に冷却機構が設けられているので、蛍光体を効率よく冷却してその発光効率の低下を抑制し、長寿命の光源を実現できる、といった効果もある。

本発明の光源装置を示す断面図。 図１の部分拡大断面図。 本発明の他の実施例の部分断面図。 本発明の他の実施例の断面図。 本発明の他の実施例の断面図。 本発明の他の実施例の断面図。 本発明の他の実施例の断面図。 本発明の他の実施例の断面図。

図１で全体が示され、図２で詳細が示されるように、本発明の光源装置は、基本的構造として、青色、または、ＵＶの励起光を放射する半導体レーザダイオード（以下、ＬＤという場合もある）からなる励起光源１と、該励起光源１からの励起光を集光する集光レンズからなる光学系２と、該集光された励起光が入射してこれにより励起されて緑色などの蛍光を放射する蛍光体３と、該蛍光体３が形成されたガラス基板４とからなる。
そして、前記ガラス基板４には、ヒートシンクからなる冷却機構５が設けられている。該ヒートシンク５は前記ガラス基板４の前面側、即ち、励起光入射側に当接されていて、その中央部には窓部６が形成されるとともに、その前面側には冷却フィン７が形成されている。
そして、図２にその詳細が示されるように、前記蛍光体３は、前記窓部６内に位置するようにガラス基板４上に塗布形成されている。

上記構成において、半導体レーザダイオード１からの青色、またはＵＶの励起光は集光レンズ２によって集光されてヒートシンク５の窓部６を通り、蛍光体３に入射する。
励起光Ａは蛍光体３によって緑色の蛍光Ｂに変換されて、ガラス基板４を通して前方に放射される。
なお、蛍光体３は、ガラス基板４に対して、励起光入射側に形成するものを示したが、ガラス基板４の反対側に形成してもよい。
また同様に、ヒートシンク５も、ガラス基板４の励起光入射側に当接するものを示したが、その反対側に当接させるものであってもよい。
つまり、これらの組み合わせが採用できるものである。

ただ、上記組み合わせ構造のうち、以下の理由により、図１に示す配置、即ち、蛍光体３もヒートシンク５も共に励起光源１側に配置する構成が好ましい。
つまり、ガラス基板４の反対側にヒートシンク５を配置した場合には、放射される蛍光に対して邪魔になることがあり、その構造上の制約を受けるという不都合がある。
また、ヒートシンク５を励起光入射側に配置した場合、蛍光体３も同じ励起光入射側に配置することによって、蛍光体３はヒートシンク５による冷却効果を有効に受けることができるものである。
以上の理由から、図１に示す配置が好ましいものであるが、であるからといってその配置構成に限定されるわけではない。

こうして蛍光体３からの蛍光Ｂは前方に放射されるが、同時にその一部は後方に、即ち、励起光入射側に向けても放射される。この蛍光を更に前方側に戻して有効利用するために、蛍光体３と励起光源１との間に、励起光を透過し、蛍光を反射する蛍光反射膜８を設ける構造が図３に示されている。
図３は、蛍光体３部分の拡大図であって、図３（Ａ）で示すように、ガラス基板４上に形成された蛍光体３の上に、励起光を透過して、蛍光を反射する蛍光反射膜８が形成されている。
こうすることにより、蛍光体３で発生した蛍光のうち後方、即ち、励起光源側に向う一部の蛍光Ｃは、該蛍光反射膜８によって反射されて、ガラス基板４を通過して前方に放射され、その有効利用が図られる。

また、前記蛍光体３と蛍光反射膜８の配置はこれに限られず、図３（Ｂ）に示すように、蛍光体３がガラス基板４の前方側、即ち励起光入射方向と反対側に形成され、蛍光反射膜８がガラス基板４の励起光入射側に形成されるものでもよい。この場合、蛍光体３から後方に向う一部の蛍光Ｃはガラス基板４を通過して反射膜８によって反射され、前方に放射される。
更には、図３（Ｃ）に示すように、ガラス基板４の前方側、即ち、励起光入射方向と反対側に蛍光反射膜８を形成し、その上に、蛍光体３を形成してもよい。この場合にも、蛍光体３からの一部の蛍光Ｃは反射膜８によって反射されて前方に放射される。

ところで、蛍光体３からの蛍光は全方位に放射される発散光であるので、本発明の光源装置をプロジェクターなどの光学系に利用する場合、これを集光あるいは平行光にする必要がある。
図４にそのための実施例が示されていて、蛍光が放射されるガラス基板４の放射方向前方に集光レンズ９が設けられている。これによって、蛍光体３からの放射光は集光されて、この例では、平行光となって放射される。

図５は、図４の例の変形実施例であって、図４の集光レンズ９の機能をガラス基板４０に持たせたものである。蛍光体３はこのガラス基板上に形成されている。
該蛍光体３からの蛍光は、この集光レンズ機能付きガラス基板４０によって集光されて放射される。

また、輝度の高い光源とするために、図６に示すように、蛍光体に対して複数の励起光源を用いることもできる。
図６において、励起光源１として複数のＬＤ１１、１２、１３を備え、これらからの励起光は、コリメートレンズ１５ａ、１５ｂ、１５ｃを介して、集光レンズ２によって集光されて、ガラス基板４上の蛍光体３に入射する。
こうすることにより、より輝度の高い光源を得ることができる。

また、面光源や複数光源を得るためには、図７に示すように、蛍光体３を複数備えて、そのそれぞれに励起光源１を対応配置することもできる。
図７において、ガラス基板４上には複数個所に蛍光体３１、３２、３３、３４が形成され、ヒートシンク５にはこれら蛍光体３１〜３４に対応して複数の窓部６１、６２、６３、６４が形成されている。そして、これら蛍光体３に対してそれぞれ励起光源１１、１２、１３、１４および集光レンズ２１、２２、２３、２４が対向配置されている。
そして、各励起光源１からの励起光はそれぞれ集光レンズ２を介してそれぞれ蛍光体３に入射され、ここで蛍光に変換されて前方に放射される。
これにより、面光源あるいは複数光源として利用することができる。

また、上記図７の配置構成のものでは、図８に示すように、光源からの放射光を中央に集中して放射する構成とすることができる。
図８において、複数の蛍光体３（３１〜３４）は集中して隣接されるように形成されていて、ヒートシンク５の窓部６（６１〜６４）が中央部に集約して配置され、前記各蛍光体３は、レンズ機能を有するガラス基板４０（４１〜４４）上にそれぞれ形成されている。
各励起光源１（１１〜１４）は、この蛍光体３（３１〜３４）に対して斜め方向から入射するように傾けて配置されている。
これによって、蛍光体３からの蛍光が集中して放射される小さな光源とすることができる。

なお、蛍光体３が塗布形成されるガラス基板４として用いることのできる材料としては、励起光、及び、蛍光を透過できる材料（対象波長の光に対して透明な材料）であれば良いが、熱伝導率が高いものがより望ましい。具体的には、以下に示す材料が利用可能である。
材料名 熱伝導率（Ｗ／ｍ／ｋ）
サファイア結晶 ２５
結晶化ガラス １．５３
石英ガラス １．３８
ホウケイ酸ガラス １．０９
ソーダガラス １

また、励起光を透過し、蛍光を反射する蛍光反射膜の組成としては、
１．ユーロピウム付活のβ-サイアロン蛍光体：
組成 ＳｒＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ
励起波長 ３００〜５００ｎｍ
発光波長 ５４０ｎｍ
２．セリウム付活のＹＡＧ蛍光体：
組成 （Ｙ,Ｇｄ）_３（Ａｌ,Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋
励起波長 ２００、３４０、４５０ｎｍ付近
発光波長 ５３０ｎｍ
などを使用できる。

以上説明したように、本発明に係る光源装置は、励起光源と、その励起光を集光する光学系と、集光された励起光によって励起されて蛍光を励起光源とは反対側に放射する蛍光体と、該蛍光体が形成されたガラス基板とからなる光源装置において、前記ガラス基板に冷却機構が設けられ、該冷却機構に、前記蛍光体に対応する窓部を形成したことにより、蛍光体を効果的に冷却できて発光効率の低下を回避できるので、カラーホイールといった大型構造物を使用することなく、蛍光体の使用量を少なく抑えることができるとともに、回転機構などの複雑な装置を設けずに装置の小型化が図られるものである。
また、透過型であるので、装置構造の複雑化を避けて、レイアウトの自由度を確保できる。

１ 励起光源（半導体レーザダイオード）
２ 集光工学系（集光レンズ）
３ 蛍光体
４ ガラス基板
４０ 集光レンズ機能を有するガラス基板
５ 冷却機構（ヒートシンク）
６ 窓部
７ 冷却フィン
８ 蛍光反射膜
９ 集光レンズ
Ａ 励起光
Ｂ 蛍光

Claims (11)

1. 青色、または、ＵＶの励起光を放射する半導体レーザダイオードからなる励起光源と、該励起光を集光する光学系と、集光された励起光によって励起されて蛍光を励起光源とは反対側に放射する蛍光体と、該蛍光体が形成されたガラス基板とからなる光源装置において、
   前記ガラス基板には冷却機構が設けられ、該冷却機構には、前記蛍光体に対応する窓部が形成されていることを特徴とする光源装置。
2. 前記蛍光体と励起光源との間には、励起光を透過し、蛍光を反射する蛍光反射膜が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記冷却機構は、前記ガラス基板に当接されたヒートシンクであることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
4. 前記ヒートシンクには、前記ガラス基板とは反対側に伸びる冷却フィンが設けられていることを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
5. 前記蛍光体は、ガラス基板の励起光入射側に設けられるとともに、前記ヒートシンクはガラス基板の励起光入射側に当接され、前記励起光は該ヒートシンクの窓部を通して蛍光体に入射するものであることを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
6. 前記蛍光体の励起光入射側に、励起光を透過し、蛍光を反射する蛍光反射膜が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の光源装置。
7. 前記蛍光体は、前記ヒートシンクの窓部内に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の光源装置。
8. 前記蛍光体の出射側には、発散する蛍光を集光するレンズが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
9. 前記ガラス基板が、集光レンズ機能を有するものであることを特徴とする請求項８に記載の光源装置。
10. 前記蛍光体に対して複数の励起光源から励起光が入射されていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
11. 前記ガラス基板上には複数箇所に蛍光体が形成されるとともに、前記ヒートシンクには各蛍光体に対応する位置に複数の窓部が形成されており、前記蛍光体にはそれぞれ励起光源が対応配置されていることを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
    
    
    

Images